窒化アルミニウム：「奇跡の」熱伝導体とその未来の技術における位置づけ

窒化アルミニウムは、いくつかの理由から奇跡の熱伝導体として広く知られています。これは、その可能性がほとんど未開拓の未来的な素材と言えるでしょう。この化合物の潜在能力は、最初の発見以来1世紀以上もの間、世界から見過ごされてきました。幸いなことに、研究のおかげで、このユニークな素材の持つ可能性を現実のものにすることができています。

窒化アルミニウムベースのデバイスは、すでに電力、ナノテクノロジーマイクロチップ、鉄鋼製造、RFアプリケーションに革命をもたらしています。さらなる研究が進むにつれて、この傾向はさらに強まるでしょう。

窒化アルミニウムとは何ですか?

窒化アルミニウムは、金属であるアルミニウムと非金属である窒素が結合して形成されるイオン化合物です。この化合物は、金属から非金属への電子の移動によって形成されます。アルミニウムは3つの外殻電子を窒素に与えることで、安定した化合物を形成します。この材料はウルツ鉱型結晶相を有し、そのため広いバンドギャップを持つ半導体特性を示します。

窒化アルミニウムのルイス構造

アルミニウムは周期表の第13族に属し、窒素は第15族に属します。つまり、アルミニウムは共有電子（自由電子）を3個持ち、窒素は5個持ちます。イオン化合物中の非金属である窒素は、外殻に8個の電子を必要とします。これにより、希ガスに似た安定した化合物を形成します。

アルミニウムは窒素に必要な数の電子を持っているため、1:1の比率で結合します。つまり、アルミニウム原子と窒素原子がそれぞれ1つずつあれば、窒化アルミニウム（AlN）を形成できます。

窒素はアルミニウムから3つの自由電子を受け取るため、3価のイオン電荷（N3-）を持ちます。アルミニウムは、3つの外殻電子（Al3+）を放出するため、3価の電荷を持ちます。この化合物のルイス構造は以下のとおりです。

AlNの誘電率

誘電率の概念に入る前に、誘電体としての窒化アルミニウムについて理解する必要があります。AlNは電気絶縁セラミックであることは誰もが知っていますが、圧電エレクトロニクスやマイクロエレクトロニクスなど、誘電体として幅広い用途があることはご存知ないかもしれません。

では、窒化アルミニウムはなぜ誘電体となるのでしょうか？そもそもそれはどういう意味でしょうか？

「誘電体」という言葉は、ギリシャ語の「dia」と「electric」という2つの語源を組み合わせたものです。「dia」は「通過する」を意味し、「electric」は「電界」を意味します。つまり、「誘電体」の語源は、電界を通過させる物質です。

アン 電界 （電場）は、電荷を帯びた粒子を取り囲む領域です。例えばpという電荷を電場内に置くと、その電荷は電場の強さにpを乗じた力、つまりF = pEを受けます。

金属導体を電界内に置くと、導体内の電子は自由に移動できます。正電荷は金属片の一方の端へ、負電荷は反対側へ移動します。こうして電気双極子が形成され、元の電界(E)と反対方向に働く新たな電界(E')が生じます。

新しい電場は、電荷の動きが止まり平衡状態に達するまで形成され続けます。結果として生じる電場の式、Er = E - E'を用いて、元の電場と新しい電場の差を求めます。例えば、2つの力が等しいため、E - E'はゼロになります。

結果として生じる電界はゼロなので、電気導体は電界を抑制すると結論付けられます。

前述の通り、窒化アルミニウムは誘電体として絶縁体です。電界にさらされると、誘電体内の電荷は自由に移動できないか、わずかに移動する可能性があります。原子が電界にさらされたときに分極する能力は、その原子構造に依存します。つまり、原子または分子の構造が良好であれば、誘電率は高くなります。

窒化アルミニウムの誘電率は8.3～9.3の範囲です。これは、電界下で窒化アルミニウムに蓄えられるエネルギー量を示しています。蓄えられたエネルギーのうちどれだけが熱に変換されるのか、また高温条件でどのように反応するのかを知りたいと思うかもしれません。窒化アルミニウムの融点は2,200℃（3,990℉）と高く、真空中では1,800℃（3,270℉）で分解します。

窒化アルミニウムの化学的性質

窒化アルミニウムの化学式はAlNで、Alはアルミニウム、Nは窒化物を表します。窒化アルミニウムはしばしば 硝酸アルミニウムAlNは硝酸アルミニウムの一種ですが、この2つの化合物は大きく異なります。AlNの酸化数は-3ですが、硝酸アルミニウムは硝酸のエステルです。さらに、後者の化学式はAl(NO₃)₃です。

窒化アルミニウムの合成

窒化アルミニウムは2つのプロセスを経て形成されます。1つはアルミニウムの直接窒化であり、もう1つはいくつかの要因に依存します。2つ目のプロセスは、酸化アルミニウムの炭素熱還元です。AlNは2,500℃を超えると解離します。この物質の密度は3.26 g/cm-3であるため、この温度を超えると溶融するのではなく解離します。

CaOやY2O3などの液体添加剤を使用すれば、焼結も可能です。窒化アルミニウム部品の成形には、乾式プレスや冷間静水圧プレスなど、いくつかの加工方法が用いられます。その他の加工方法としては、セラミック射出成形、精密機械加工、テープキャスティング、低圧射出成形などがあります。

窒化アルミニウムは強酸や強アルカリ粒子に侵されます。しかし、リチウムや銅などの溶融金属、氷晶石や塩化物などの溶融塩には耐性があります。また、粉末状のため、水や湿気によって容易に加水分解されます。AlNは体積抵抗率が高く、セラミック材料としては高い熱伝導率と高い絶縁耐力を備えています。

窒化アルミニウムの熱的および電気的特性

窒化アルミニウムは、その高い熱伝導率という優れた特性を持つ材料です。また、高い電気伝導性を示し、優れた電気絶縁体でもあります。これらに加え、高い体積抵抗率も備えているため、AlNはマイクロエレクトロニクスの基板材料として需要が高まっています。

熱伝導率に関して言えば、AlNはベリリアに次いで2番目に高いですが、中程度の温度（約200℃）では銅よりも高い熱伝導率を示します。

AlNは、高容量と高抵抗が求められるマイクロエレクトロニクス部品に最適です。マイクロエレクトロニクスでは、従来のセラミック基板よりも優れた冷却基板が利用可能であり、ヒートシンクや熱キャリアとして利用されています。

通信分野では、窒化アルミニウムは通信機器のRFフィルターの製造に使用されています。また、クランプリング、レーザー、チップレット、マイクロ波デバイスのパッケージングなどの絶縁体としても使用されています。AlNは、炭素、水素、二酸化炭素雰囲気下でも980℃まで安定です。この材料は、深紫外線オプトエレクトロニクスにも応用されています。

この高伝導性材料の広いバンドギャップにより、窒化アルミニウムはオプトエレクトロニクスで優位に立っています。

結論

窒化アルミニウムは、未来のテクノロジーにおける位置づけを徐々に形作りつつあります。マイクロエレクトロニクス、ピエゾエレクトロニクス、深紫外線オプトエレクトロニクスにおけるこの材料の利点は、不可欠なものです。だからこそ、将来に向けて自分の居場所を確保するために、窒化アルミニウムの冒険に飛び込む価値があるのです。